CN101950132A - 纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置 - Google Patents

Abstract

纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置由光源激光管发出的单色平面波经第一反射镜反射后，垂直入射位于掩模标记区域内的第一标记光栅和第二标记光栅，从第一标记光栅透射的衍射光B₁经硅片表面反射与另一束直接从第二标记光栅上反射的衍射光束B₂，经反射镜二偏转后被物镜接收，最后汇聚于物镜的像面并发生双光束干涉，由CCD探测器记录干涉条纹，并根据条纹的移动或者相位变化状况调节实现间隙测量控制。本发明的测量灵敏度极高、实用性强，对纳米光刻中的掩模硅片调平、间隙测量及控制相关领域具有重要的意义。

Description

纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置

技术领域

本发明涉及纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，属于微纳加工、光学测量相关领域。

背景技术

随着高集成度电路与相关器件的研发，以及纳米科技的快速发展、纳米器件特征尺寸的不断缩小，IC特征尺寸愈来愈小，极大地推动了高分辨力纳米光刻技术的发展，如纳米压印、波带片阵列成像光刻。相应地，随着分辨力的提高以及大尺寸硅片的采用，掩模硅片的间隙控制与测量将成为纳米光刻面临的严峻挑战，间隙测量精度必须随之大幅度提高。在投影光刻***中，分辨力的提高促使物镜的焦深缩小，对硅片的垂直位移变化测量及调焦技术同样提出了新的要求。

传统的间隙测量或者投影光刻中的检焦技术主要采用几何投影方法，通过在光路中设置类似于狭缝的几何标记，经硅片底面的反射，将硅片的高度变化转化为探测器像面上几何标记光斑的平移，主要应用于早期的较低分辨力光刻，精度提高的程度有限。此外，双光束干涉强度及外差干涉方法方法，分别将硅片的垂直位移转化为几束衍射光的干涉强度或者双频干涉产生的光学拍信号的相位大小变化，容易受到光刻胶等硅片表面工艺过程的影响，如光刻胶内的多次反射引入附加光程、标记的受到硅片级工艺污染后引入的非对称性误差等，较为明显的***误差存在给间隙测量的带来了诸多困难。

为了进一步提高间隙测量精度，克服光刻胶、硅片工艺等***误差因素对间隙测量的影响，申请人曾在前专利申请号：201010172100.4中提出一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法。其主体思想是将直接根据干涉条纹的移动或者相位变化计算间隙变化量，旨在阐述实现间隙测量的物理原理机制和初步实现的方法策略；但在该专利申请中，同时利用分别位于掩模和硅片上的两组标记光栅进行间隙测量，无法避免硅片横向移动对测量的影响。为此本发明在实验的基础上设计了一套更为实用、具体的间隙测量装置，除了将装置的结构和参数等设计具体化以外，将两个间隙测量标记均相邻地加工于掩模上，除了克服了传统的光刻胶等硅片工艺对光强的影响外，还能克服掩模硅片横向位移变化的影响，直接将间隙变化与图像的相位变化唯一对应起来，具有很强的实用性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，在该装置仅仅利用同时位于掩模上的两个标记光栅实现间隙测量，避免硅片横向位移对测量的影响。

本发明的技术解决方案为：纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置包括：激光管、第一反射镜、掩模、硅片、第一标记光栅、第二标记光栅、第二反射镜、物镜和CCD探测器；所述第一标记光栅和第二标记光栅相邻地同时位于掩模上，且第一标记光栅和第二标记光栅周期接近；在纳米光刻工作间隙范围内，由激光管发出单色平面波经第一反射镜偏转后，垂直入射位于掩模上的第一标记光栅和第二标记光栅时发生衍射；一束来自于第一标记光栅的透射衍射光B₁在掩模和硅片间隙内传播并经硅片表面反射返回，在掩模上与第二标记光栅的反射衍射光束B₂相遇，发生双光束干涉；经过第二反射镜偏转后，所述两束光B₁、B₂被物镜接收，并利用位于物镜像面上的CCD探测器记录双光束干涉强度条纹；最后，利用干涉条纹的移动或相位变化探测间隙变化量，通过在三个位置处的间隙控制实现掩模和硅片调平。

所述第一个反射镜安装在与水平方向成45度夹角方向，第二个反射镜的安装方向与水平方向的夹角为

其中，θ₁、θ₂分别代表两束光B₁、B₂的衍射角。

所述两束光B₁、B₂的衍射角θ₁、θ₂分别由下式计算得到：

P₁sinθ₁＝λ    (2)

P₂sinθ₂＝λ    (3)

其中，P₁、P₂分别为第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)的周期，λ为入射光波长。

所述第一标记光栅和第二标记光栅分别为两组排列顺序相反的光栅组合而成。

本发明的原理是：本发明是基于光栅调制的双光束干涉相位成像，同时位于掩模上的两个相邻标记光栅周期接近，导致两束衍射光B₁与B₂的出射夹角很小(一般为1.8度左右)，在掩模面相遇的形成小角度(一般为1.8度左右)双光束干涉，产生周期放大、易于分辨的低频条纹；间隙变化直接导致两束光的光程差变化，从而引起条纹移动或者相位变化，从而根据条纹的移动或者相位变化实现间隙测量。利用三点确定平面的原则，通过不在同一直线上的三点进行间隙测量控制，使三处间隙一致，实现掩模硅片调平。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的两个标记光栅均位于掩模上，测量不受硅片工艺以及硅片的横向位置变化均的影响，使间隙变化与干涉条纹图像的相位变化唯一对应，同时可克服传统方法中难以避免的衍射光强度变化带来的***误差因素，探测灵敏度很高。

(2)本发明中两束干涉夹角很小，使用长工作距、低数值孔径的物镜，结合反射镜实现光路偏转，光路调整便利、实用性较强。

(3)本发明利用两个反射镜分别实现光路垂直入射以及返回光路的水平偏转，使入射水平同轴及便于光路调整。

附图说明

图1为本发明掩模面上的衍射示意图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明掩模上的两个间隙测量标记；

图4为本发明的第二反射镜的安装示意图；

图5a和图5b为本发明间隙变化前后对应的两组条纹；

图6为本发明掩模硅片调平示意图。

具体实施方式

如图1所示，由光源激光管1发出的波长为633nm的平面波光源，经反射镜2后垂直入射位于掩模3上标记区域的两组相邻的第一标记光栅5和第二标记光栅6；从第一标记光栅5透射的衍射光B₁经在掩模和硅片之间传播、并经硅片4表面反射以角度θ₁返回第二标记光栅6表面，与另一束直接从第二标记光栅6以角度θ₂返回的反射衍射光B₂在该标记表面相遇发生双光束干涉，两束干涉光B₁及B₂经反射镜7反射后折回水平方向，被物镜8接收，使干涉条纹被于位于物镜的像面位置的CCD探测器9记录。

如图2中的标记衍射示意图所示，两束衍射光B₁和B₂分别来自于位于掩模3上标记区域的第一标记光栅5、第二标记光栅6。其中从第一标记光栅5透射的衍射光B₁到达硅片4后以同样的衍射角θ₁返回，与另一束直接从第二标记光栅6反射的衍射光B₂在第二标记光栅6表面相遇，从而发生干涉。

接下来，由于两光栅的周期接近分别为P₁＝2μm、P₂＝2.2μm，根据公式(1)、(2)从标记面返回的两光束B₁和B₂夹角很小，利用一个低数值孔径(NA≥0.03)、长工作距(一般为110mm)的物镜8接收。其中，物镜8的数值孔径通过两束发生干涉的衍射光夹角决定，即

NA≥sin(θ₁-θ₂)    (4)

其中，θ₁、θ₂分别为从图3中周期为P₁和P₂的光栅上出射的光束B₁和B₂的衍射角。

与之同时，为了实现光路水平以及便于***调整，两次分别采用了第一反射镜2与第二反射镜7实现入射波的垂直入射与返回光路的水平偏转。其中，第一个反射镜2只需要在一定程度上实现光路的垂直偏转，使之垂直入射到光栅表面，即安装在45度方向；而第二个反射镜7的安装方向也正是由从第二光栅标记出射的两束光的衍射方向共同决定，如图4所示，根据几何关系，不难推出第二反射镜7的安装方向与水平方向的夹角满足式(1)中所示关系。

本发明中物镜8的数值孔径、反射镜的安装方向最终取决于两束光的衍射角。而两个衍射角取决于设计中两光栅的周期、入射波长，即所述的衍射方程式(2)、(3)。在本实施例中，λ＝633nm，P₁＝2μm、P₂＝2.2μm，则对应的衍射角θ₁＝18.5°、θ₂＝16.7°，根据式(4)，物镜8的数值孔径只需要满足NA≥0.03即可，本实施例中采用物镜的工作距离为110mm，数值孔径NA＝0.045。第二反射镜7与水平方向的夹角θ≈36°。此外，光栅的周期、衍射级次还决定了干涉条纹的周期，即

$P=\frac{P_1{P}_2}{|P_1-P_2|}=22---\left(5\right)$

可见，条纹周期相对于光栅被放大约10倍左右。因此，条纹的周期P和物镜的放大倍率β最后决定了CCD像面上的预期条纹数目，即

$N=\frac{L}{\mathrm{\βP}}---\left(6\right)$

其中，L为CCD的像面宽度，N为像面上的条纹数目。

为了使灵敏度加倍，将两个标记光栅可以设计成两组排列顺序相反的组合光栅，如图3所示，即将图1、图2中所示的第一光栅标记5和第二光栅标记6分别设计为由周期为P₁和P₂、周期为P₂和P₁上下两组光栅拼接而成的组合光栅，由此形成上下两个干涉场，即两组干涉条纹；其中一组条纹由周期为P₁的光栅的衍射光经硅片反射后，与掩模上的周期为P₂的光栅衍射光干涉形成，另一组条纹则是由周期为P₂的光栅衍射光经硅片反射后与掩模上的周期为P₁的光栅衍射干涉形成。由于两组光栅的排列顺序相反，间隙变化导致标记上下两组干涉光的光程差变化方向相反，使得条纹向相反的方向运动，以此达到灵敏度加倍的目的。

如图5中的两组条纹图像，其中图5(a)中条纹对应于某初始间隙g₀，此时上下两组条纹的相位一致，上下对齐。当间隙变化八分之一个波长，即大约80纳米时，上半部条纹向左运动，下半组条纹向右运动，两组条纹向相反的方向移动，相位错开π，与单组条纹相比，灵敏度加倍。间隙变化量与条纹的相位变化或位移满足如下关系

其中，Δg为间隙变化量，Δφ为间隙变化引起的两组条纹的相对相位变化。

最后，为了实现掩模硅片调平，须在三点如图5所示的M₁、M₂、M₃不在同一直线的三个位置处设置间隙测量标记，将该***在这三处进行间隙测量、控制，使三处间隙一致，根据三点确定平面的原则，可实现掩模3和硅片4相互调平、即两者所在平面平行目的。

Claims (4)

1.纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，其特征在于包括：激光管(1)、第一反射镜(2)、掩模(3)、硅片(4)、第一标记光栅(5)、第二标记光栅(6)、第二反射镜(7)、物镜(8)和CCD探测器(9)；所述第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)相邻地同时位于掩模(3)上，且第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)周期接近；在纳米光刻工作间隙范围内，由激光管(1)发出单色平面波经第一反射镜(2)偏转后，垂直入射位于掩模(3)上的第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)时发生衍射；一束来自于第一标记光栅(5)的透射衍射光B₁在掩模和硅片间隙内传播并经硅片(4)表面反射返回，在掩模(3)上与第二标记光栅(6)的反射衍射光束B₂相遇，发生双光束干涉；经过第二反射镜(7)偏转后，所述两束光B₁、B₂被物镜(8)接收，并利用位于物镜(8)像面上的CCD探测器(9)记录双光束干涉强度条纹；最后，利用干涉条纹的移动或相位变化探测间隙变化量，通过在三个位置处的间隙控制实现掩模和硅片调平。

2.根据权利要求1中所述的纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，其特征在于：所述第一个反射镜(2)安装在与水平方向成45度夹角方向，第二个反射镜(7)的安装方向与水平方向的夹角为

其中，θ₁、θ₂分别代表两束光B₁、B₂的衍射角。

3.根据权利要求1或2中所述的纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，其特征在于：所述两束光B₁、B₂的衍射角θ₁、θ₂分别由下式计算得到：

P₁sinθ₁＝λ    (2)

P₂sinθ₂＝λ    (3)

其中，P₁、P₂分别为第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)的周期，λ为入射光波长。

4.根据权利要求1中所述的纳米光刻掩模硅片间隙测量及调平装置，其特征在于：所述第一标记光栅(5)和第二标记光栅(6)分别由两组排列顺序相反的光栅组合而成。

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